一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法技术

本发明专利技术公开了一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法，本制导方法结合DVS制导方法的优势和碰撞风险预测机制，具有实现船舶路径跟踪和自主避碰的能力。在来船未进入DVS探测范围时，执行路径跟踪制导；在来船进入DVS探测范围时，对碰撞风险进行预测，若路径跟踪制导模式存在碰撞风险，则执行避碰操纵制导，选取能够消除碰撞风险的制导信息，并保证对路径跟踪任务的回归趋势；如不存在碰撞风险，则恢复到路径跟踪制导模式。同时DVS当前前进速度和艏向角随时间的变化是光滑的。

【技术实现步骤摘要】
一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法
本专利技术涉及船舶控制工程与船舶自动化航行领域，更具体地，涉及一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法。
技术介绍
制导是指根据设定航路点及避碰/避障要求规划船舶当前的参考运动轨迹，获取船舶运动状态(包括船舶位置和姿态变量)命令信号，引导船舶自动航行的过程。对现代水面船舶而言，先进的制导方法具有提升船舶航行经济性、安全性和保障船舶高精度操纵作业的重大意义。传统制导方法仅考虑船舶的路径跟踪任务，适用于大洋航行的非机动状态，常见的制导方法有可视距离(LOS)制导方法，动态虚拟船型(DVS)制导方法等。为进一步探索船舶在机动状态下避碰操纵同路径跟踪任务的结合，寻求一种兼顾二者的制导方法成为近年来的研究热点。基于非线性控制理论的稳定极限环(stablelimitcycles)的避障策略具有抖振小、安全、高效，便于同《国际海上避碰规则》(COLREGs)结合的优点，已有研究将路径跟踪与稳定极限环避障相结合的制导策略，如等。文献[1]将收敛到稳定极限环的避碰策略引入到LOS路径跟踪制导方法中，具有一定创新性和实际意义，下面对此方法进行简要介绍。此方法依托LOS制导方法的框架建立，其基本原理如图1所示。实船在参考路径Pi-1Pi上的投影沿着该路径经过前向距离▽可获得该路径上的期望目标点AF，该目标点对于实船的真方位角ψl′os(见公式(1))即为LOS制导方法的命令艏向角。当实船航行到航路点附近时，会进入如图1中Pi处所示的转向边界环，当前的路径跟踪任务由Pi-1Pi切换为PiPi+1。LOS制导方法仅仅能够提供艏向角的命令信号，对前进速度up没有提供有效制导，依据航海经验设定实船在路径跟踪任务下的命令前进速度为定值。考虑到实船的欠驱动特性，对原命令艏向角进行漂角补偿，得到命令艏向角ψlos如公式(2)。该制导方法在路径跟踪模式下，按照上述LOS制导方法的引导航行。如果实船附近存在会遇船舶(即实船进入如图2所示的以会遇船舶为中心，Rm为半径的探测环内)，且存在与会遇船舶发生碰撞的风险，则执行避碰制导方法。按照如图2所示的参数说明，碰撞发生风险通过公式(3)定义的避碰操纵条件确定。式(3)中，Ro为以会遇船舶为中心的稳定极限环的半径，的定义如公式(4)，若避碰操纵条件(3)不满足，实船依然按照路径跟踪制导航行，否则按照避碰制导航行，获取命令艏向角ψoa如公式(5)。其中，uoa是避碰制导方法下的命令前进速度，为实现避碰的有效性，uoa必须大于会遇船舶的前进速度uc。Δ为避碰操纵的前向距离，垂直于实船和会遇船舶的连线，并和会遇船舶的稳定极限环相切。λ＝±1决定了实船环绕稳定极限环的方向，+1为顺时针，-1为逆时针，通过COLREGs确定λ的具体值。k用于补偿会遇船舶前进运动对稳定极限环收敛的影响，定义为式(6)。式中b＝-2eV02，c＝-(Δ2+e2)V02。该制导方法的流程图如图3所示，当实船在会遇船舶探测环之外时，执行路径跟踪制导；当实船进入探测环内时，依据避碰操纵条件决定是否执行避碰操纵，在避碰模式下，艏向角和前进速度的命令信号会引导实船收敛到会遇船舶的稳定极限环上。上述LOS框架下具有稳定极限环收敛机制的路径跟踪避碰制导方法虽然实现了路径跟踪和避碰的有效结合，却因为其固有特性存在不可避免的缺陷。现将其技术不足总结为如下几点：1)基于LOS框架，该制导方法同样存在航路点附近自动转向而无法实施有效控制的问题，不适用于曲线航线的路径规划问题；难以同基于假设“任意参考路径都能够由虚拟船型产生”的相关控制策略研究相结合，限制了该制导方法的应用。2)无论路径跟踪模式还是避碰模式，该制导方法都无法提供前进速度的有效制导，固定的船舶推进输入无法满足高精度路径跟踪任务的要求。在避碰模式下，无法根据来船的前进速度灵活调整命令前进速度，降低了该方法的普适性。3)稳定极限环收敛的避碰机制，限制了避碰模式下实船的轨迹，在某些特定避碰局面下会造成航程浪费。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于DVS框架的含有碰撞风险预测机制的制导方法，该制导方法能够对航路点处曲线段的路径进行规划，进而保证了方法在整个参考路径上的有效性，同时对碰撞风险进行提前分析，从而避免冗余航程和保证航程光滑，适用于欠驱动船舶的控制。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种具有碰撞风险预测机制的水面船舶避碰及路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：S1：设定航路点信息W1,W2,…,Wn，分别建立导引虚拟船型GVS和动态虚拟船型DVS的运动数学模型；S2：导引虚拟船型GVS根据设定航路点对直线段和曲线段的参考路径进行规划，并始终沿参考路径行驶；S3：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内不存在会遇船舶时，处于路径跟踪模式；S4：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内出现会遇船舶时，进行避碰局面分类，如果会遇船舶追越动态虚拟船型DVS且动态虚拟船型DVS速度小于会遇船舶速度时，动态虚拟船型DVS和导引虚拟船型GVS按照路径跟踪模式的制导信息航行，并回到步骤S3，否则进入步骤S5；S5：计算动态虚拟船型DVS和会遇船舶在路径跟踪模式下碰撞风险，如果存在碰撞风险，则避碰操纵模式激活，进入步骤S6，否则进入步骤S10；S6：激活避碰操纵模式，计算避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo；S7：计算路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh；S8：计算动态虚拟船型DVS在路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh下，与会遇船舶的碰撞风险，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型GVS的当前前进速度ug＝ud，如果存在碰撞风险，使用避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo作为动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，并按照下式计算随后的动态虚拟船型DVS的前进速度ud和艏向角ψd导引虚拟船型GVS的当前前进速度ug＝ud，其中Δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型DVS的避碰操纵前进速度，ψdp是动态虚拟船型DVS的避碰操纵艏向角，ε为增益因数；S9：在每个采样时间点计算DVS在路径跟踪艏向角ψdp和路径跟踪前进速度udp下的碰撞风险，如果存在碰撞风险，进入步骤S6，否则进入步骤S10；S10：动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud和当前艏向角ψd选取为GVS的当前前进速度ug＝ugp，其中Δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型DVS的路径跟踪前进速度，ψdp是动态虚拟船型DVS的路径跟踪艏向角，ε为增益因数，完成由避碰操纵到路径跟踪模式的过渡；之后，回到步骤S3，继续以路径跟踪模式航行。进一步地，步骤S5中，计算碰撞风险的方法为：计算动态虚拟船型DVS按照路径跟踪模式下的当前艏向角及前进速度航行，与会遇船舶的最小距离会遇时间点tmin＝t2、最小会遇距离lmin，如果lsafe＞lmin，此时认为存在碰撞风险，否则不存在碰撞风险。进一步地，步骤S3中所述的路径跟踪模式定义为：导引虚拟船型GVS的速度为设定常数值ugp，动态虚拟船型DVS的当前艏向角ψd等于导引虚拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：S1：设定航路点信息W1,W2,…,Wn，分别建立导引虚拟船型GVS和动态虚拟船型DVS的运动数学模型；S2：导引虚拟船型GVS根据设定航路点对直线段和曲线段的参考路径进行规划，并始终沿参考路径行驶；S3：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内不存在会遇船舶时，处于路径跟踪模式；S4：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内出现会遇船舶时，进行避碰局面分类，如果会遇船舶追越动态虚拟船型DVS且动态虚拟船型DVS速度小于会遇船舶速度时，动态虚拟船型DVS和导引虚拟船型GVS按照路径跟踪模式的制导信息航行，并回到步骤S3，否则进入步骤S5；S5：计算动态虚拟船型DVS和会遇船舶在路径跟踪模式下碰撞风险，如果存在碰撞风险，则避碰操纵模式激活，进入步骤S6，否则进入步骤S10；S6：激活避碰操纵模式，计算避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo；S7：计算路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh；S8：计算动态虚拟船型DVS在路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh下，与会遇船舶的碰撞风险，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型GVS的当前前进速度ug＝ud，如果存在碰撞风险，使用避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo作为动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，并按照下式计算随后的动态虚拟船型DVS的前进速度ud和艏向角ψd...

【技术特征摘要】
1.一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路径跟踪制导方法，其特征在于包括以下步骤：S1：设定航路点信息W1,W2,…,Wn，分别建立导引虚拟船型GVS和动态虚拟船型DVS的运动数学模型；S2：导引虚拟船型GVS根据设定航路点对直线段和曲线段的参考路径进行规划，并始终沿参考路径行驶；S3：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内不存在会遇船舶时，处于路径跟踪模式；S4：在动态虚拟船型DVS的探测环半径之内出现会遇船舶时，进行避碰局面分类，如果会遇船舶追越动态虚拟船型DVS且动态虚拟船型DVS速度小于会遇船舶速度时，动态虚拟船型DVS和导引虚拟船型GVS按照路径跟踪模式的制导信息航行，并回到步骤S3，否则进入步骤S5；S5：计算动态虚拟船型DVS和会遇船舶在路径跟踪模式下碰撞风险，如果存在碰撞风险，则避碰操纵模式激活，进入步骤S6，否则进入步骤S10；S6：激活避碰操纵模式，计算避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo；S7：计算路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh；S8：计算动态虚拟船型DVS在路径跟踪回归前进速度udh和艏向角ψdh下，与会遇船舶的碰撞风险，如果不存在碰撞风险，选取动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud＝udh，当前艏向角ψd＝ψdh，导引虚拟船型GVS的当前前进速度ug＝ud，如果存在碰撞风险，使用避碰操纵前进速度udo和艏向角ψdo作为动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud和当前艏向角ψd，并按照下式计算随后的动态虚拟船型DVS的前进速度ud和艏向角ψd导引虚拟船型GVS的当前前进速度ug＝ud，其中Δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型DVS的避碰操纵前进速度，ψdp是动态虚拟船型DVS的避碰操纵艏向角，ε为增益因数；S9：在每个采样时间点计算DVS在路径跟踪艏向角ψdp和路径跟踪前进速度udp下的碰撞风险，如果存在碰撞风险，进入步骤S6，否则进入步骤S10；S10：动态虚拟船型DVS的当前前进速度ud和当前艏向角ψd选取为GVS的当前前进速度ug＝ugp，其中Δts是采样周期，是每个采样周期速度的变化值，udp是动态虚拟船型DVS的路径跟踪前进速度，ψdp是动态虚拟船型DVS的路径跟踪艏向角，ε为增益因数，完成由避碰操纵到路径跟踪模式的过渡；之后，回到步骤S3，继续以路径跟踪模式航行。2.根据权利要求1所述的一种具有碰撞风险预测机制的避碰及路...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国庆，邓英杰，吴晓雪，张显库，任鸿翔，田佰军，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21